直接驱动式电液伺服阀研究现状综述

焉台郎

（中国直升机设计研究所，天津 300308）

电液伺服阀（EHV）在电液伺服控制系统中发挥着重要的作用，在工程机械中有广泛应用。20世纪60年代我国多家单位研制喷嘴挡板式电液伺服阀，形成喷嘴挡板式电液伺服阀和喷流式电液伺服阀2款主流的伺服阀。20世纪90年代初，直接驱动式电液伺服阀（DDV）进入市场，相比喷嘴挡板式电液伺服阀的结构相对复杂、制造困难，比如喷嘴挡板式电液伺服阀的力反馈杆和弹簧管加工难度大，且抗污能力较差等，直接驱动式电液伺服阀具有抗污染能力强、动态指标高、结构简单的优点，同时便于样机仿真以及故障注入，实现各种复杂情况的模拟，使其在各行业得到广泛应用。

1 直接驱动式电液伺服阀（DDV）的工作原理与分类

多数直接驱动式电液伺服阀的结构包括直线力电机、阀芯阀套、位移传感器以及配合使用的集成控制电路，如图1所示。主要工作原理是直线力电机收到集成电路信号控制，驱动阀芯正反方向运动。阀芯一端与电机相连，另一端装有位移传感器用来监测位移，传感器将位移转换为电信号并反馈控制电路，与输入指令信号运算，构成阀芯的位置闭环控制。

图1 直接驱动式电液伺服阀典型结构

图2 伺服阀原理图

电液伺服阀按照液压放大等级分为单级、二级、三级伺服阀，按照输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式（PWM），按照其输出量作为伺服控制对象的不同，可分为压力伺服、流量伺服以及压力流量伺服。目前，市面主要使用的电液伺服阀为喷嘴挡板式电液压力伺服阀和喷流式电液压力伺服阀，喷嘴挡板式和喷流式属于液压放大器的前置放大级，直接驱动式电液压力伺服阀（DDV）的直线力电机和滑阀之间没有喷嘴挡板等液压放大器，是由电机直接驱动滑阀阀芯工作，所以属于单级电液伺服阀。

2 直接驱动式电液伺服阀研究现状

2.1 结构改进

除了直线力电机驱动滑阀外，许多学者对结构进行改进，将旋转运动通过偏心机构转换为直线运动驱动滑阀。原佳阳等人通过偏心驱动机构将力矩电机旋转运动转化为阀芯的直线运动，进而改变进回油窗口节流面积比，输出相应负载压力。钱占松电机转轴末端的偏心机构将电机的旋转运动转化为阀芯的直线运动，伺服阀输出的压力通过压力传感器反馈至电子控制器对伺服阀形成压力闭环控制，实现对伺服阀压力输出大小的控制，如图2所示。

此外，利用阀芯转动代替平动，通过旋转阀芯调节开口大小的结构，此类形式又称为旋转式直接驱动电液伺服阀（Rotary Direct Drive Valve，RDDV）。肖俊东等人利用直流力矩电机通过弹性联轴器在一定角度内转动，转阀阀芯与阀套上对应开通多个与轴向有一定倾角的斜槽，阀芯相对阀套转动，使阀芯和阀套上的斜槽相互贯通或互相封闭，从而控制伺服阀前后的流量和压力，新型电磁伺服阀性能对比国内外几种电液伺服阀在滞环、线性度、重复精度、响应时间上表现优越，组成原理图如图3所示。卢菊仙等人阀套上开有4个沿圆周均布、开口形状相同的异形阀口，在转动阀芯中调整与阀套的开口大小以调整出油量开口大小，结构如图4。

图3 新型直接驱动电液伺服阀的组成原理

图4 有限角度旋转式电液伺服阀

2.2 反馈控制

直接驱动式电液伺服阀主要有负载压力、流量反馈调节、位置反馈调节，以及电流反馈调节、速度反馈调节。张宇等人设计了位置环加电流环的双闭环控制系统，其中，位置环采用比例积分控制加相位超前校正，电流环采用比例积分控制。在DSP和FPGA的联合试验平台上验证了此方法可以有效提升系统的动态特性和稳定性。姜继海等人通过压力传感器反馈负载压力值，采用小闭环和动态压力负反馈比例积分控制，实现输入的指令信号与输出的负载压力成线性比例关系，如图5所示。

图5 DDPV信号传递框图

2.3 电机驱动

在DDV结构中，电机的控制与驱动是至关重要的一环，具体控制形式与电机和控制器的选择有关。通常电机线圈的工作电流较大，为了减少功率损耗，常采用脉宽调制电路。在RDDV驱动结构中反馈调节控制的焦点在旋转电机上，参考电机的控制方法大多采用位置环＋速度环或位置环＋电流环的双闭环控制策略。邓新阳采用位置环＋电流环的双闭环控制系统，电流环采用PI控制，位置环采用模糊控制相结合的PID控制，最后通过系统仿真验证了该控制方法的快速性、准确性及负载适应性。肖俊东等人采用模拟电路实现的双PI-PWM控制器来控制直接驱动阀。精密电位计将电机角位移信号反馈到运放与给定的转角电压进行比较。卢菊仙等人电机选择角位移传感器的有限角度无刷直流伺服电动机。电动机控制系统由带限幅环节的转速和电流PI调节器组成，控制电机转速按照设定转速运行。针对直接驱动飞行控制系统，Lin等人针对采用DDV的飞行控制系统，提出了一种具有非线性脉宽调制控制的高带宽伺服放大器。在原H桥放大器控制回路中，由于非线性饱和效应，适当的反馈补偿不能提高系统带宽。该电路的设计功能通过延长放大器的线性工作范围来提高放大器的转换速率。实验结果表明，该系统的带宽可从150hz增加到500hz。

3 直接驱动式电液伺服阀在航空中的应用

飞控系统从传统液压机械操纵逐渐向电传、光传发展，在电传飞控操纵（FBW）系统采用的余度作动器，使用直接驱动式电液伺服阀方案有明显的优越性。目前，国外应用DDV作动器的机种有：F-22、JAS-39、IDF（Indigenous Defensive Fighter）、EFA-2000、BK-117等。其中多数采用DDV方案的作动器用于驱动固定翼的机翼舵面。例如，在F-22平尾作动器采用电气三余度液压二余度的直接驱动阀式伺服作动器。还有美国“幽灵”轰炸机采用伺服作动器、法国的“阵风”战机也采用了SAMM公司的直接驱动阀等。刘劲松等人对飞机刹车系统进行了研究，笔者采用某型飞机数字电传防滑刹车系统对2种伺服阀做了对比联试，选取了滞环、分辨率、静耗流量和抗污染能力作为对比指标，试验显示采用直接驱动阀的系统表现优越，超过原喷嘴挡板式电液伺服阀系统试验结果。

4 结语

直接驱动式电磁伺服阀是电液伺服阀中的热点和前沿方向，在工程中有着突出的表现，本文明确了直接驱动式电磁伺服阀属于单级电液伺服阀，本文总结了结构改进、反馈控制和电机驱动的3个研究方向并介绍了部分研究成果，直接驱动式电磁伺服阀在多种机型上有广泛应用，阐述了目前国内外在用机型的应用和成果，为今后的直接驱动式电磁伺服阀的研究提供了参考和借鉴。